Department Department Department Department Department Department Department

Ηλεκτροχημικές Διεργασίες

Στοιχεία Μαθήματος
Διδάσκων (Διδάσκοντες):
Μπεμπέλης Συμεών
 
Προπτυχιακά Μαθήματα, 10ο Εξάμηνο
ΘΕ: Εφαρμοσμένη Φυσικοχημεία – Μηχανική Χημικών και Ηλεκτροχημικών Διεργασιών
Κωδικός Μαθήματος: CHM_E_Β5
Διδακτικές Μονάδες: 3
Μονάδες ECTS:4

Επιδιωκόμενα Μαθησιακά Αποτελέσματα

Σκοπός του μαθήματος είναι η εισαγωγή στο γνωστικό αντικείμενο της σύγχρονης Ηλεκτροχημείας, με έμφαση στη θερμοδυναμική και κινητική των αντιδράσεων μεταφοράς φορτίου στις διεπιφάνειες ηλεκτροδίων/ηλεκτρολυτών. Επιδιωκόμενος στόχος είναι στο τέλος του μαθήματος οι φοιτητές/φοιτήτριες να μπορούν:

  1. Να περιγράψουν το αντικείμενο και τις βασικές έννοιες  της Ηλεκτροχημείας καθώς και  τα είδη και τρόπο λειτουργίας των ηλεκτροχημικών συστημάτων.
  2. Να περιγράψουν τους διαφόρους τύπους ιοντικών αγωγών και τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται τα ιόντα παρουσία άλλων ιόντων.
  3. Να εξηγήσουν τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η μετακίνηση των ιόντων στο εσωτερικό των ιοντικών αγωγών και να περιγράψουν τα βασικά μεγέθη και νόμους που διέπουν τα φαινόμενα μεταφοράς φορτίου στην ομογενή φάση ενός ηλεκτρολύτη.
  4. Να περιγράψουν τη δομή της διεπιφάνειας ηλεκτροδίου/ηλεκτρολύτη και τις αιτίες εμφάνισης διαφοράς δυναμικού μεταξύ των άκρων της.
  5. Να περιγράψουν τη κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας ηλεκτροχημικών συστημάτων και να διατυπώσουν τη συνθήκη θερμοδυναμικής ισορροπίας  για μια διεπιφάνεια ηλεκτροδίου/ηλεκτρολύτη ή μια ηλεκτροχημική αντίδραση.
  6. Να περιγράψουν τους παράγοντες και μηχανισμούς που καθορίζουν το ρυθμό μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης και ελέγχουν τη λειτουργία των ηλεκτροχημικών συστημάτων όταν αυτά δεν βρίσκονται σε θερμοδυναμική ισορροπία.
  7. Να περιγράψουν τις βασικές αρχές της Ηλεκτροκατάλυσης και της Ηλεκτροχημικής Ενίσχυσης της Κατάλυσης

Δεξιότητες

Στο τέλος  του μαθήματος  οι φοιτητές/φοιτήτριες αναμένεται να έχουν αναπτύξει τις ακόλουθες δεξιότητες:

  1. Για ηλεκτρολυτικά διαλύματα, να υπολογίζουν την ιοντική ισχύ, το συντελεστή ενεργότητας  ενός είδους ιόντων (ή το μέσο συντελεστή ενεργότητας), την αγωγιμότητα και σχετιζόμενα με αυτή μεγέθη. Για ηλεκτρολυτικά τήγματα και στερεούς ηλεκτρολύτες, να υπολογίζουν τη μεταβολή της ιοντικής αγωγιμότητας με τη θερμοκρασία ή την ενέργεια ενεργοποίησης για ιοντική αγωγή, από μετρήσεις ιοντικής αγωγιμότητας.
  2. Να γράφουν τις ημιαντιδράσεις και τη συνολική αντίδραση για ένα ηλεκτροχημικό στοιχείο με συγκεκρι-μένο σχηματικό διάγραμμα και να υπολογίζουν την πρότυπη ηλεκτρεγερτική δύναμη, με βάση τις τιμές των πρότυπων σχετικών δυναμικών των ημιστοιχείων του.
  3. Να υπολογίζουν την ηλεκτρεγερτική δύναμη ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου από τη μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας κατά τη συνολική αντίδραση στο στοιχείο, και αντίστροφα, καθώς επίσης να προβλέπουν την αυθόρμητη κατεύθυνση μιας οξειδοαναγωγικής αντίδρασης με χρήση τιμών σχετικών ηλεκτροδιακών δυναμικών.
  4. Να εφαρμόζουν τη συνθήκη ηλεκτροχημικής ισορροπίας για μια διεπιφάνεια και για μια ηλεκτροχημική αντίδραση, και να συσχετίζουν το δυναμικό ισορροπίας ενός ημιστοιχείου με τις ενεργότητες των αντίστοιχων ηλεκτροενεργών ειδών.
  5. Να υπολογίζουν τις αναπτυσσόμενες  υπερτάσεις κατά τη λειτουργία ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου και το δυναμικό λειτουργίας για δεδομένη πυκνότητα ρεύματος.
  6. Για πολυβηματικές ηλεκτροχημικές αντιδράσεις, να εκφράζουν το ρυθμό ως συνάρτηση μετρήσιμων μεγεθών, για δεδομένο μηχανισμό αντίδρασης.

Προαπαιτήσεις

Δεν υπάρχουν προαπαιτούμενα μαθήματα. Χρειάζονται όμως βασικές γνώσεις Φυσικοχημείας, κυρίως Χημικής Θερμοδυναμικής και Χημικής Κινητικής.

Περιεχόμενα (Ύλη) Μαθήματος

Εισαγωγή στην Ηλεκτροχημεία: Αντικείμενο της Ηλεκτροχημείας. Διαφορές μεταξύ ηλεκτροχημικών και αμιγώς χημικών αντιδράσεων. Hλεκτροχημικά στοιχεία.

Ιόντα και ηλεκτρολύτες: Eνεργότητες των ιόντων σε διαλύματα ηλεκτρολυτών. Συντελεστές ενεργότητας. Αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ιόντων στο εσωτερικό ενός διαλύματος ηλεκτρολύτη (Θεωρία Debye-Hückel). Αγωγή του ηλεκτρικού ρεύματος σε ηλεκτρολυτικά διαλύματα (μηχανισμοί μετακίνησης των ιόντων, ιοντική ευκινησία, αριθμοί μεταφοράς ιόντων, αγωγιμότητα ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων). Ηλεκτρολυτικά τήγματα. Στερεοί ηλεκτρολύτες

Διεπιφάνειες ηλεκτροδίου/ηλεκτρολύτη και ηλεκτροχημικά στοιχεία: Η δομή της ηλεκτρισμένης διεπιφάνειας. Τα δυναμικά των φάσεων. Διαφορά δυναμικού στην διεπιφάνεια ηλεκτροδίου/ηλεκτρολύτη και συνιστώσες του μετρούμενου δυναμικού ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου. Πολώσιμες και μη-πολώσιμες διεπιφάνειες και ηλεκτρόδια αναφοράς. Το κανονικό ηλεκτρόδιο υδρογόνου και η ηλεκτροχημική σειρά. Οι συμβάσεις της IUPAC για τα ηλεκτροχημικά στοιχεία και για το πρόσημο της ηλεκτρεγερτικής δύναμης. Αυθόρμητες και μη αυθόρμητες αντιδράσεις σε ηλεκτροχημικά στοιχεία. Πρόβλεψη της αυθόρμητης κατεύθυνσης οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων από δεδομένα ηλεκτροδιακών δυναμικών.

Θερμοδυναμική των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων: Βασικές αρχές. Το ηλεκτροχημικό δυναμικό και η ηλεκτροχημική ελεύθερη ενέργεια. Θερμοδυναμική ισορροπία σε ηλεκτροχημικά συστήματα. Η εξίσωση Nernst.

Κινητική των ηλεκτροχημικών αντιδράσεων: Σχέση μεταξύ πυκνότητας ρεύματος και ρυθμού μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής. Οι νόμοι του Faraday. Η  επίδραση του δυναμικού πάνω στην ενέργεια ενεργοποίησης και στο ρυθμό μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Η έννοια και τα είδη της υπέρτασης. Υπέρταση ενεργοποίησης. Η εξίσωση Butler-Volmer και η εξίσωση Tafel. Περιορισμοί μεταφοράς μάζας σε ηλεκτροχημικά συστήματα. Υπέρταση συγκέντρωσης και πυκνότητα οριακού ρεύματος. Ωμική υπέρταση. Μέτρηση της υπέρτασης ενός ηλεκτροδίου. Δυναμικό λειτουργίας ενός ηλεκτροχημικού στοιχείου. Ανάπτυξη κινητικών προτύπων για πολυβηματικές ηλεκτροχημικές αντιδράσεις.

Ηλεκτροκατάλυση και Ηλεκτροχημική Ενίσχυση της Κατάλυσης: Βασικές αρχές και παραδείγματα εφαρμογών.

Διδακτικές και Μαθησιακές Μέθοδοι

Παραδόσεις με χρήση slides (MS PowerPoint) σε συνδυασμό με συμβατική διδασκαλία από πίνακα, κυρίως για επίλυση προβλημάτων προς εμπέδωση της διδασκόμενης ύλης.
Σειρές ασκήσεων για  επίλυση στο σπίτι
Εκτός από το σύγγραμμα της επιλογής τους (μεταξύ των  προτεινομένων από τον διδάσκοντα), διανέμονται στους φοιτητές/φοιτήτριες σημειώσεις, τα slides των παραδόσεων (σε ηλεκτρονική μορφή) καθώς και πρόσθετο εκπαιδευτικό υλικό, όπως επιστημονικές δημοσιεύσεις. Επίσης, οι φοιτητές/φοιτήτριες καθοδηγούνται στην αναζήτηση σχετικής βιβλιογραφίας καθώς και πληροφοριών στο Διαδίκτυο.

Μέθοδοι Αξιολόγησης/Βαθμολόγησης
  1. Τελική γραπτή εξέταση
  2. Γραπτή εξέταση προόδου (προαιρετική). Ο βαθμός της εξέτασης προόδου λαμβάνεται υπόψη μόνο αν είναι μεγαλύτερος από εκείνον της τελικής γραπτής εξέτασης.
  3. Σειρές ασκήσεων (συνήθως τέσσερες) για επίλυση στο σπίτι (προαιρετικές).

Οι γραπτές εξετάσεις περιλαμβάνουν τόσο ερωτήσεις θεωρίας (σε κάποιο ποσοστό ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής) όσο και επίλυση απλών ασκήσεων.